Квантова метрологія

КВА́НТОВА МЕТРОЛО́ГІЯ  — галузь науки, що ви­вчає методи надточних вимірювань на основі квантових явищ. Виникла як від­повідь на потребу в більшій точності ви­значати фізичні величини та значно пере­вищує можливості класичної метрології. Завдяки квантовим ефектам науковці отримали можливість вимірювати час, довжину, масу, температуру та інші параметри з небувалою точністю, що є основою для роз­витку сучасних технологій.

Історія К. м. роз­почалася в середині 20 ст., коли зʼявилися атомні годин­ники, що працювали на основі пере­ходів між енергетичними рівнями атомів цезію. Вони стали фундаментом для ви­значе­н­ня секунди в між­народній системі одиниць (SI). Пізніше роз­виток квантової механіки, лазерної техніки (див. Лазерна технологія, Опто­електрон­на та лазерна техніка) та над­провід­них технологій (див. Над­провід­ність та над­провід­ні матеріали) до­зволив створювати дедалі точніші еталони. Від 2019 між­народна система SI повністю базується на фундаментальних фізичних кон­стантах. Це стало можливим завдяки саме К. м., що дала змогу встановити сталі значе­н­ня для заряду електрона, сталої Планка, сталої Больцмана та інших величин.

Викори­ста­н­ня квантових явищ нерозривно повʼязане з викори­ста­н­ням фундаментальних фізичних сталих (ФФС) — незалежних фізичних сталих, що є пере­важно характерними коефіцієнтами фундаментальних фізичних теорій, µ. Фізична стала — це фізична величина, що має не­змін­не значе­н­ня при ви­значених об­ставинах в обраній системі одиниць. ФФС — така фізична величина, значе­н­ня якої ви­значене екс­периментально в обраній системі одиниць, містить інформацію про найбільш загальні (фундаментальні) властивості матерії та залишається не­змін­ною за будь-яких умов. До ФФС належать швидкість світла у вакуумі, електрична й магнітна сталі, стала Планка, елементарний заряд (заряд електрона) тощо. Роз­різняють універсальні, електромагнітні, атомні та фізико-хімічні сталі.

Роз­виток науки і технологій у 21 ст. при­звели до виникне­н­ня нової метрології, основними вимогами до якої стали під­вище­н­ня точності від­творе­н­ня одиниць, стабільності їх зберіга­н­ня, до­ступність найвищої точності для практичної метрології. Основним напрямом роз­витку нової метрології є привʼязка одиниць вимірюва­н­ня до природних інваріантів — фундаментальних фізичних сталих, викори­ста­н­ня квантових ефектів і стабільних фізичних явищ для від­творе­н­ня одиниць. Цей напрям на­звано К. м. Науковою основою К. м. є квантова механіка.

Основними фізичними ефектами, що використовують в К. м., є ефекти атомних пере­ходів, тунелюва­н­ня електронів, квантува­н­ня руху та енергії, ядерний магнітний резонанс, на основі яких роз­роблені практичні методи від­творе­н­ня низки одиниць. Досвід викори­ста­н­ня квантових методів показав їх без­умовні пере­ваги над діючими на цей час (механічними, астрономічними тощо). Ці пере­ваги проявилися при від­творен­ні одиниць часу і довжини, де вже від­булося пере­ви­значе­н­ня секунди й метра через фізичні сталі.

У нову SІ (SІ-2019) внесено низку сут­тєвих змін, зокрема: одиниці вимірювань формулюються у неявній формі — через «ви­значальні фізичні сталі»; 4 з 7-ми основних одиниць набули принципово нових ви­значень. Зокрема, основна одиниця від електрики — ампер, о в попередній версії SІ ви­значалася через магнітну сталу µ₀ і механічні величини, в SІ-2019 одержала нову основу — елементарний заряд е, який дорівнює 1,602 176 634 ×10^–19 Кл точно. Пере­хід на квантові методи й еталони зробив прорив в точності від­творе­н­ня електричних величин і практиці вимірювань в цій галузі в цілому.

Особливостями квантових методів, що до­зволили їм під­няти електричну метрологію на якісно новий рівень, є: від­сутність методичної похибки (за винятком обмеже­н­ня, повʼязаного з принципом «неви­значеності Гайзенберга»; у брошурі Між­народного бюро мір та ваг «Між­народні система одиниць (SI)» записано, що квантові методи «до­зволяють реалізувати всі одиниці з точністю, яка в кінцевому рахунку обмежується лише квантовою структурою природи та нашими технічними можливостями»); абсолютність вимірювань, тобто здатність вимірювати абсолютні значе­н­ня фізичних величин (звідси від­сутність потреби в калібруван­ні); мала залежність квантових ефектів від апаратурної реалізації, можливість візуально контролювати наявність квантового ефекту в процесі вимірюва­н­ня.

Під «роз­рахунковим» характером квантових методів (еталонів) ро­зуміється той факт, що від­творене значе­н­ня фізичної величини є не результатом вимірюва­н­ня в загально­прийнятому ро­зумін­ні цього терміна, а результатом роз­рахунку. Класичним прикладом таких еталонів є еталон часу й частоти на квантовому пере­ході в атомі цезію. Ще одним прикладом «роз­рахункового» еталона є еталон електричного опору на основі квантового ефекту Холла, де еталон­не значе­н­ня опору роз­раховують через дві ви­значальні сталі (Планка h і елементарний заряд е).

В Україні (ННЦ «Ін­ститут метрології», Харків) створено первин­ні еталони на квантових ефектах одиниць часу-частоти на пере­ході в цезії, по­стійної електричної напруги на ефекті Джозефсона, електричного опору на ефекті Холла, магнітної індукції на ефекті ядерного магнітного резонансу. Квантові ефекти й від­повід­ні вимірювальні технології зробили великий прорив у точності часо-частотних і електричних вимірювань і при­звели до створе­н­ня фактично нового приладобудува­н­ня в цих галузях. За­провадже­н­ня квантових методів і викори­ста­н­ня ФФС у вимірювальній практиці при­звело до глибоких якісних змін не тільки в метрології, а й у більш широкому плані: у науково-технічному аспекті роз­винуто теоретичні пита­н­ня низки квантових явищ, над­провід­ності, роз­роблено нові методи вимірювань на їх основі, а також принципи побудови від­повід­них засобів вимірюва­н­ня; в технологічному плані створено нові унікальні технології виготовле­н­ня мікро- і нано­структур для побудови матриць Джозефсона, приладів для реалізації квантових ефектів Холла і одно­електрон­ного тунелюва­н­ня, однофотон­них джерел і детекторів оптичного ви­промінюва­н­ня, квантових стандартів частоти радіо- і оптичного діапазонів; в метрологічній практиці досягнуто значний про­грес у під­вищен­ні точності всіх видів вимірювань, в до­ступності найвищої точності широким колам метрологів, у спрощен­ні систем пере­дачі роз­мірів одиниць робочим засобам вимірюва­н­ня. Аналізуючи досягнуті результати і темпи впровадже­н­ня К. м. в практичну діяльність, можна про­гнозувати подальший про­грес в створен­ні стабільних високотехнологічних еталонів на основі квантових явищ і по­ступовий пере­гляд ідеології побудови систем забезпече­н­ня єд­ності вимірювань.